Далеко над поверхностью Земли, в разреженных верхних слоях атмосферы, находится море частиц, которые были разделены на положительные и отрицательные ионы резким ультрафиолетовым излучением Солнца. Называемый ионосферой, это интерфейс Земли с космосом, область, где нейтральная атмосфера Земли и земная погода уступают место космической среде, которая доминирует над большей частью остальной Вселенной — среде, содержащей заряженные частицы и сложную систему электрических и магнитные поля.
Ионосфера формируется волнами из атмосферы внизу и однозначно реагирует на изменяющиеся условия в космосе, превращая такую ??космическую погоду в наблюдаемые, эффективные для Земли явления — создавая полярное сияние, нарушая сигналы связи и иногда вызывая проблемы со спутниками.Многие из этих эффектов недостаточно изучены, поэтому ионосфера по большей части остается загадкой.
Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, Католического университета Америки в Вашингтоне, округ Колумбия, Университета Колорадо в Боулдере и Калифорнийского университета в Беркли представили новые результаты по ионосфере на осеннем заседании Американской геофизической ассоциации. Union 14 декабря 2016 г. в Сан-Франциско.
Один исследователь объяснил, как взаимодействие между ионосферой и другим слоем атмосферы, термосферой, противодействует нагреву в термосфере — нагреву, который приводит к расширению верхних слоев атмосферы, что может вызвать преждевременный распад орбиты. Другой исследователь описал, как энергия за пределами ионосферы накапливается до тех пор, пока не разрядится — в отличие от молнии — предлагая объяснение того, как энергия космической погоды переходит в ионосферу. Третий ученый обсудил две предстоящие миссии НАСА, которые предоставят ключевые наблюдения в этом регионе, помогая нам лучше понять, как ионосфера реагирует как на космическую, так и на земную погоду.
Изменения в ионосфере в первую очередь вызваны солнечной активностью. Хотя на земле оно может показаться нам неизменным, на самом деле наше Солнце — очень динамичная и активная звезда.
Наблюдение за солнцем в ультрафиолетовых волнах света из космоса — над нашей атмосферой, блокирующей ультрафиолетовый свет — показывает постоянную активность, включая вспышки света, частицы и магнитные поля.Время от времени Солнце испускает огромные облака частиц и магнитных полей, которые взрываются от Солнца со скоростью более миллиона миль в час. Они называются корональными выбросами массы или CME.
Когда CME достигает Земли, его встроенные магнитные поля могут взаимодействовать с естественным магнитным полем Земли, называемым магнитосферой, иногда сжимая его или даже заставляя его части перестраиваться.Именно эта перестройка передает энергию в атмосферную систему Земли, вызывая цепную реакцию смещения электрических и магнитных полей, которые могут отправить частицы, уже захваченные около Земли, разлетаться во всех направлениях. Затем эти частицы могут создать одно из самых узнаваемых и впечатляющих явлений космической погоды — полярное сияние, также известное как Северное сияние.
Но передача энергии в атмосферу не всегда так безобидна. Он также может нагревать верхние слои атмосферы — там, где вращаются низко расположенные спутники Земли, — заставляя ее расширяться, как воздушный шар.
«Это набухание означает, что на больших высотах больше вещей, чем мы могли бы ожидать», — сказала Делорес Книпп, космический ученый из Университета Колорадо в Боулдере. «Этот лишний материал может затягивать спутники, нарушая их орбиты и затрудняя их отслеживание».Это явление называется сопротивлением спутника. Новое исследование показывает, что такое понимание реакции верхних слоев атмосферы на солнечные бури — и связанное с этим сопротивление спутника — не всегда верно.«Наше основное понимание заключалось в том, что геомагнитные бури вкладывают энергию в систему Земли, что приводит к расширению термосферы, которое может увести спутники на более низкие орбиты», — сказал Книпп, ведущий исследователь этих новых результатов. «Но это не всегда так».
Иногда энергия солнечных бурь может вызвать химическую реакцию, в результате которой в верхних слоях атмосферы образуется соединение, называемое оксидом азота. Оксид азота действует как охлаждающий агент на очень больших высотах, способствуя потере энергии в космос, поэтому значительное увеличение этого соединения может вызвать явление, называемое переохлаждением.«Переохлаждение заставляет атмосферу быстро терять энергию геомагнитной бури намного быстрее, чем ожидалось», — сказал Книпп. «Это похоже на то, что термостат для верхних слоев атмосферы застрял на установке« круто »».
Эта быстрая потеря энергии противодействует предыдущему расширению, в результате чего верхние слои атмосферы снова сжимаются — иногда до даже меньшего состояния, чем вначале, в результате чего спутники перемещаются через регионы с более низкой плотностью, чем предполагалось.Новый анализ, проведенный Книпп и ее командой, классифицирует типы штормов, которые могут привести к переохлаждению и быстрому коллапсу верхних слоев атмосферы.
Сравнивая более чем десятилетние измерения со спутников Министерства обороны и миссии НАСА «Термосфера, ионосфера, мезосфера, энергия и динамика» или TIMED, исследователи смогли выявить закономерности в энергии, движущейся в верхних слоях атмосферы.«Переохлаждение наиболее вероятно, когда очень быстрые и организованные с помощью магнитов выбросы Солнца сотрясают магнитное поле Земли», — сказал Книпп. «Медленные облака или плохо организованные облака просто не имеют одинакового эффекта».Это означает, что, как это ни парадоксально, наиболее мощные солнечные бури, вероятно, будут оказывать чистое охлаждение и сужение верхних слоев атмосферы, а не нагревать и расширять их, как предполагалось ранее.
С этим процессом охлаждения конкурирует нагрев, вызванный энергией солнечной бури, проникающей в атмосферу Земли. Хотя ученые знали, что энергия солнечного ветра в конечном итоге достигает ионосферы, они мало понимали, где, когда и как происходит этот перенос.
Новые наблюдения показывают, что этот процесс носит локальный и импульсный характер и частично зависит от состояния самой ионосферы.Традиционно ученые полагали, что способ движения энергии в магнитосфере и атмосфере Земли определяется характеристиками входящих частиц и магнитных полей солнечного ветра — например, длинный устойчивый поток солнечных частиц будет производить иные эффекты, чем потоки солнечного ветра. более быстрый и менее последовательный поток. Однако новые данные показывают, что движение энергии гораздо более тесно связано с механизмами, с помощью которых связаны магнитосфера и ионосфера.
«Процесс передачи энергии очень похож на то, как образуется молния во время грозы», — сказал Боб Робинсон, космический ученый из НАСА Годдарда и Католического университета Америки.Во время грозы нарастание разности электрических потенциалов, называемое напряжением, между облаком и землей приводит к внезапному и сильному разряду этой электрической энергии в виде молнии.
Этот разряд может произойти только при наличии электропроводящего пути между облаком и землей, называемого лидером.Точно так же солнечный ветер, падающий на магнитосферу, может создавать разницу напряжений между различными областями ионосферы и магнитосферы.
Между этими областями могут образовываться электрические токи, создавая проводящий путь, необходимый для того, чтобы накопленная электрическая энергия разряжалась в ионосферу в виде своего рода молнии.«Для возникновения земной молнии требуется несколько миллисекунд, в то время как эта магнитосферно-ионосферная« молния »длится несколько часов, а количество передаваемой энергии в сотни или тысячи раз больше», — сказал Робинсон, ведущий исследователь этих новых результатов.
Эти результаты основаны на данных глобальной группировки спутников Иридиум.Поскольку солнечные бури усиливают электрические токи, которые позволяют возникать магнитосферно-ионосферным молниям, этот тип передачи энергии гораздо более вероятен, когда магнитное поле Земли сталкивается с солнечным явлением.Огромная передача энергии от этой магнитосферно-ионосферной молнии связана с нагревом ионосферы и верхних слоев атмосферы, а также с усилением полярного сияния.
Жду с нетерпениемХотя ученые добиваются прогресса в понимании ключевых процессов, которые вызывают изменения в ионосфере и, в свою очередь, на Земле, многое еще предстоит понять. В 2017 году НАСА запускает две миссии для исследования этой динамической области: Ионосферный проводник связи (ICON) и глобальные наблюдения за конечностью и диском (GOLD).
«Ионосфера не только реагирует на поступление энергии солнечными бурями», — сказал Скотт Ингланд, космический ученый из Калифорнийского университета в Беркли, работающий как над миссиями ICON, так и над GOLD. «Земная погода, как ураганы и ветры, может формировать атмосферу и ионосферу, изменяя их реакцию на космическую погоду».ICON будет одновременно измерять характеристики заряженных частиц в ионосфере и нейтральных частиц в атмосфере, в том числе сформированных земной погодой, чтобы понять, как они взаимодействуют. GOLD будет выполнять многие из тех же измерений, но с геостационарной орбиты, что дает глобальное представление о том, как изменяется ионосфера.
И ICON, и GOLD будут использовать явление, называемое свечением воздуха, — свет, излучаемый газом, который возбуждается или ионизируется солнечным излучением, — для изучения ионосферы. Измеряя свет от свечения воздуха, ученые могут отслеживать изменение состава, плотности и даже температуры частиц в ионосфере и нейтральной атмосфере.Положение ICON в 350 милях над Землей позволит ему изучать атмосферу в профиль, давая ученым беспрецедентный взгляд на состояние ионосферы на разных высотах. Между тем, положение GOLD на высоте 22 000 миль над Землей даст ему возможность отслеживать изменения в ионосфере, когда они перемещаются по земному шару, подобно тому, как метеорологический спутник отслеживает шторм.
«Мы будем использовать эти две миссии вместе, чтобы понять, как динамические погодные системы отражаются в верхних слоях атмосферы и как эти изменения влияют на ионосферу», — сказал Англия.